Siêu âm tập trung tương thích sinh học đưa thuốc điều trị ung thư đến đích

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Kiểm soát việc giải phóng hàng hóa bằng sóng siêu âm tập trung — **Phát hành kiểm soát** Lọ bên trái chứa dung dịch có sắc tố huỳnh quang được liên kết trong một cơ điện tử. Trong lọ bên phải, sắc tố đã được giải phóng khỏi cơ điện tử bằng cách tiếp xúc với sóng siêu âm tập trung. (Ảnh: Caltech)

Điều khiển từ xa các phản ứng hóa học trong môi trường sinh học có thể mang lại nhiều ứng dụng y tế đa dạng. Ví dụ, khả năng giải phóng thuốc hóa trị vào mục tiêu trong cơ thể có thể giúp loại bỏ các tác dụng phụ có hại liên quan đến các hợp chất độc hại này. Với mục tiêu này, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ California (Caltech) đã tạo ra một hệ thống phân phối thuốc hoàn toàn mới sử dụng siêu âm để giải phóng các hợp chất chẩn đoán hoặc điều trị một cách chính xác khi nào và ở đâu cần thiết.

Nền tảng này được phát triển trong phòng thí nghiệm của Maxwell Robb và Mikhail Shapiro, dựa trên các phân tử nhạy cảm với lực được gọi là cơ điện tử trải qua những thay đổi hóa học khi chịu tác dụng của lực vật lý và giải phóng các phân tử hàng hóa nhỏ hơn. Kích thích cơ học có thể được cung cấp thông qua siêu âm tập trung (FUS), thâm nhập sâu vào các mô sinh học và có thể được áp dụng với độ chính xác dưới milimet. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây về phương pháp này yêu cầu cường độ âm thanh cao gây nóng và có thể làm hỏng mô lân cận.

Để cho phép sử dụng cường độ siêu âm thấp hơn và an toàn hơn, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng các túi khí (GV), cấu trúc nano protein chứa đầy không khí có thể được sử dụng làm chất tương phản siêu âm. Họ đưa ra giả thuyết rằng GV có thể hoạt động như bộ chuyển đổi cơ âm để tập trung năng lượng siêu âm: khi tiếp xúc với FUS, GV sẽ trải qua quá trình xâm thực với năng lượng tạo ra sẽ kích hoạt cơ chế.

Đồng tác giả đầu tiên giải thích: “Việc tác dụng lực thông qua siêu âm thường dựa vào các điều kiện rất mãnh liệt để kích hoạt sự nổ của các bong bóng khí hòa tan nhỏ”. Molly McFadden trong một thông cáo báo chí. “Sự sụp đổ của chúng là nguồn lực cơ học kích hoạt cơ chế hoạt động. Các mụn nước có độ nhạy cao hơn với siêu âm. Bằng cách sử dụng chúng, chúng tôi nhận thấy có thể đạt được hoạt động tương tự của cơ chế dưới điều kiện siêu âm yếu hơn nhiều.”

Báo cáo những phát hiện của họ trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, các nhà nghiên cứu chứng minh rằng phương pháp này có thể kích hoạt từ xa sự giải phóng các phân tử hàng hóa từ các polyme có chức năng cơ học bằng cách sử dụng FUS tương thích sinh học.

Phát triển phân phối thuốc

McFadden và các đồng nghiệp lần đầu tiên xác định được các thông số siêu âm an toàn cho các ứng dụng sinh lý học. Các thử nghiệm với FUS 330 kHz cho thấy giới hạn trên tương thích sinh học là áp suất âm cực đại 1.47 MPa với chu kỳ hoạt động 4.5% (3000 chu kỳ mỗi xung), dẫn đến cường độ âm thanh là 3.6 W/cm². Trong bóng ma gel mô phỏng mô, các thông số này dẫn đến mức tăng nhiệt độ tối đa chỉ 3.6°C.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã điều tra xem liệu FUS có thể kích hoạt các polyme chứa mechanophore bằng cách sử dụng các thông số tương thích sinh học này hay không. Họ đã nghiên cứu polyme PMSEA chứa một cơ chế tập trung vào chuỗi chứa một phân tử nhỏ phát huỳnh quang. Việc tiếp xúc dung dịch loãng của polyme này với FUS tương thích sinh học với sự có mặt của GV dẫn đến sự gia tăng mạnh huỳnh quang, cho thấy việc giải phóng thành công tải trọng - giải phóng khoảng 15% sau 10 phút tiếp xúc với FUS. Điều quan trọng là, việc tiếp xúc với FUS mà không có GV không gây ra phản ứng phát huỳnh quang, xác nhận rằng GV đóng vai trò thiết yếu như bộ chuyển đổi cơ âm.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu kiểm tra xem hệ thống này có phù hợp để giải phóng thuốc được kích hoạt cơ học hay không. Họ kết hợp tác nhân hóa trị liệu camptothecin với cơ chế sau đó trùng hợp để tạo ra PMSEA-CPT và sử dụng FUS để giải phóng có kiểm soát. Sau 10 phút tiếp xúc với FUS tương thích sinh học cộng với GV, khoảng 8% camptothecin được giải phóng. Như đã tìm thấy đối với phân tử phát huỳnh quang, không phát hiện được sự giải phóng thuốc khi không có GV.

Theo đồng tác giả đầu tiên Yuxing Yao, đây là lần đầu tiên FUS được chứng minh là có thể kiểm soát một phản ứng hóa học cụ thể trong môi trường sinh học. Yao nói: “Trước đây siêu âm được sử dụng để phá vỡ hoặc di chuyển đồ vật. “Nhưng bây giờ nó đang mở ra con đường mới cho chúng ta bằng cách sử dụng cơ hóa học.”

Để đánh giá tiềm năng tương lai của nền tảng này đối với hóa trị liệu nhắm mục tiêu ở bệnh nhân, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu độc tính tế bào của nó. ống nghiệm trên các tế bào Raji giống như nguyên bào lympho. Các tế bào được ủ trong hai ngày với PMSEA-CPT trước đó đã tiếp xúc với FUS và GV cho thấy khả năng sống sót giảm đáng kể. Ngược lại, không thấy độc tính tế bào đáng kể trong các tế bào được ủ bằng PMSEA-CPT chưa tiếp xúc với FUS hoặc PMSEA-CPT tiếp xúc với FUS nhưng không có GV.

Công nghệ cấy ghép kích hoạt bằng ánh sáng

Thiết bị cấy ghép được kích hoạt bằng ánh sáng cung cấp khả năng vận chuyển thuốc có thể lập trình

Các nhà nghiên cứu viết: “Sự giải phóng một cách cơ học các trọng tải phân tử từ polyme trong môi trường nước minh họa sức mạnh của phương pháp này đối với các ứng dụng điều trị và hình ảnh sinh học không xâm lấn của cơ hóa polyme”. “Nói rộng hơn, nghiên cứu này cho thấy một cách tiếp cận để đạt được khả năng kiểm soát từ xa các phản ứng hóa học cụ thể trong các điều kiện liên quan đến y sinh với độ chính xác về mặt không gian và khả năng thâm nhập mô do FUS cung cấp.”

Sau những thử nghiệm ban đầu này trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát, các nhà nghiên cứu hiện có kế hoạch thử nghiệm nền tảng của họ trên các sinh vật sống. “Chúng tôi đang nỗ lực chuyển phát hiện cơ bản này sang trong cơ thể ứng dụng phân phối thuốc và các công nghệ y sinh khác,” Robb nói Thế giới vật lý.